2018年，是中国碳化硅晶片的发展元年。这一年，北京天科合达半导体股份有限公司（以下简称天科合达）实现了6英寸碳化硅晶片的量产。截至目前，天科合达在2019年已经签订金额高达1.7亿元的碳化硅晶片订单。

　　“从2英寸、3英寸、4英寸到如今的6英寸碳化硅晶片，中国科学院物理研究所（简称中科院物理所）科研团队精心打磨了20多年，终于在国内率先实现了碳化硅晶片的自主研发和产业参加国际会议的陈小龙化。”天科合达首席科学家、中科院物理所研究员陈小龙对记者感叹道，“碳化硅晶片能从实验室走向市场，我们克服了很多困难。”

　　苦练内功

　　20世纪50~60年代，硅和锗构成了第一代半导体材料，主要应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测器中。相比于锗半导体器件，硅材料制造的半导体器件耐高温和抗辐射性能较好。直到现在，我们使用的半导体产品大多是基于硅材料的。

　　进入20世纪90年代后，砷化镓、磷化铟代表了第二代半导体材料，可用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件。因信息高速公路和互联网的兴起，第二代半导体材料被广泛应用于卫星通讯、移动通讯、光通信和GPS导航等领域。

　　与前两代半导体材料相比，第三代半导体材料通常又被称为宽禁带半导体材料或高温半导体材料。其中，碳化硅和氮化镓在第三代半导体材料中是发展成熟的代表。

　　碳化硅晶片是一种宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大，临界击穿场强大，热导率高，饱和漂移速度高等诸多特点，被广泛应用于制作高温、高频及大功率电子器件。

　　曾有报道称，一片2英寸的氮化镓晶片，可以生产出1万盏亮度为节能灯10倍、发光效率为节能灯3~4倍、寿命为节能灯10倍的高亮度LED照明灯；也可以制造出5000个平均售价在100美元左右的蓝光激光器；还可以被应用在电力电子器件上，使系统能耗降低30%以上。

　　陈小龙领衔的团队长期从事碳化硅单晶生长研究工作，他指出：“由于碳化硅和氮化镓的晶格失配小，碳化硅单晶是氮化镓基LED、肖特基二极管、金氧半场效晶体管等器件的理想衬底材料”。

　　虽然用于氮化镓生长最理想的衬底是氮化镓单晶材料，该材料不仅可以提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，还能提高器件工作寿命、工作电流密度和发光效率。然而，陈小龙团队经过多年研究发现，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。

　　为此，科研人员在其他衬底（如碳化硅）上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。“以氮化镓厚膜为衬底的外延，相比在碳化硅材料上外延的氮化镓薄膜，位元错密度要明显低，但价格昂贵。”于是，陈小龙团队选择了碳化硅单晶衬底研究。

　　然而，碳化硅单晶价格也不便宜。2006年，一片2英寸碳化硅晶片的国际市场价格曾高达500美元，但仍供不应求。

　　高昂的原材料成本占碳化硅半导体器件价格的10%以上。“碳化硅晶片价格已成为第三代半导体产业发展的瓶颈。”陈小龙说。

　　为了降低器件成本，下游产业对碳化硅单晶衬底提出了大尺寸的要求。因此采用先进的碳化硅晶体生长技术，实现规模化生产，降低碳化硅晶片生产成本，将促进第三代半导体产业的迅猛发展，拓展市场需求。

　　为此，中科院物理所于2006年成立天科合达，依托陈小龙团队中在碳化硅领域的研究成果，开发碳化硅晶体生长炉和碳化硅晶体生长、加工技术及专业设备，并建立完整的碳化硅晶片生产线。

　　随着天科合达成立，有人也提出了质疑，“搞产业化，有必要如此重视基础研究吗？”但在陈小龙看来，产业化阶段的技术水平，恰恰是基础研究阶段积累的体现。

　　缩小差距

　　我国碳化硅晶体的发展一直处于追赶国际先进水平的状态。早在1991年，科锐公司就推出了碳化硅晶片产品，而我国的碳化硅晶体研究则从20世纪90年代末才刚刚起步。

　　2011年，科锐公司发布了6英寸碳化硅晶片，并开始小批量销售。同年，天科合达的4英寸碳化硅晶片准备进入量产阶段，并于2013年开始进行6英寸碳化硅晶片的研发工作。陈小龙说：“这些年来，在碳化硅晶片领域，我国与国外的技术差距正在缩短。”

　　然而，在这样的追赶背后，陈小龙和他的团队经历了一系列的艰难险阻。陈小龙坦言，1999年刚开始搞碳化硅晶体研究的时候，由于国外对技术严格保密，他们团队只能从基本原理做起，很多基础的实验和基本规律，都是自己一点一点摸索出来的。

　　“碳化硅从2英寸、4英寸到6英寸的发展过程中，扩晶技术非常关键。而且，晶体的尺寸变大以后，温场发生很大的变化，因此带来一系列的问题，如相变等，需要投入大量的人力、物力去克服。”陈小龙说，碳化硅特有的微管等缺陷，对于材料和器件性能具有致命影响，其形成机制需要细致、深入的研究。

　　“加工的碳化硅晶片厚度只有约0.4毫米，因此，在晶片直径增加以后，还需要克服晶片变形的问题。”陈小龙还指出，碳化硅晶片要求表面非常平整，粗糙度在0.3纳米以下，这些都对碳化硅晶片的制备形成了挑战。

　　经过科研人员不懈努力，天科合达申请了近30项发明专利，包括3个PCT国际专利，其中已经授权发明专利接近20项。当前，天科合达已经建成了碳化硅生长的生产线以及加工、检测、清洗、封装的生产线。

　　近年来，随着高铁列车、新能源汽车、智能电网、光伏发电、机车牵引、大功率输配电，以及当前国家着力推动5G通讯的快速发展，碳化硅晶片已经成为全国乃至全球的抢手货，市场需求呈现出“井喷式”增长。一些国家甚至将碳化硅晶片的研发和批量生产，作为国家发展战略中的一部分。

　　虽然市场很紧俏，但能研制碳化硅晶片的企业并不多。据了解，目前全球能够实现碳化硅晶片批量生产的企业只有7家，而中国只有天科合达1家。“多数企业困于研发投入周期长、制造技术难度大的窘境，最终默默而返。”陈小龙说，“我们依托物理所的技术积累，具备了批量生产碳化硅晶片的条件。”

　　“2018年，满负荷生产的4寸导电碳化硅晶片已全部预订完。今年的订单量还在激增，我们正在继续扩充产能。”天科合达常务副总经理彭同华是陈小龙的学生，博士毕业后他就加入公司从事技术研发工作，对于产品销售前景他充满乐观。

　　深耕产业

　　如今，碳化硅已成为全球半导体产业的前沿和制高点，拥有广阔的应用前景。据预测，到2019年底，全球碳化硅单晶炉数量将超过3000台，碳化硅衬底产量将超过200万片，市场规模将达到20亿美元，外延材料市场规模约10亿美元。同时，碳化硅的发展还将带动上游单晶设备、外延设备产业和下游的器件以及模块等相关产业发展，规模将达数百亿美元。

　　这些年来，陈小龙带领的科研团队和天科合达专注于提高碳化硅晶体的质量，以及大尺寸碳化硅晶体的研发，将先进的碳化硅晶体生长和加工技术产业化，大规模生产和销售具有自主知识产权的碳化硅晶片。

　　从实验室迈向市场的道路并非一帆风顺。天科合达成立13年来，在很长一段时间里都未实现盈利，这给陈小龙团队和投资方都带来很大的压力。

　　“幸运的是我们的投资方从未放弃过对碳化硅技术研发的支持，因为他们清楚,科研领域就是要承担这样的风险，同时他们也相信依托中科院物理所的技术支撑，未来可期。”陈小龙说。

　　上市、股改、优化管理方式，让核心管理人员和技术人员持股作业,以此激发企业的活力和研发能力。天科合达一直在探索中前行，随着一系列的变革，陈小龙率领团队将碳化硅技术难题先后攻破，天科合达制造碳化硅晶片的技术力量飞速增长。“未来几年,天科合达将会继续加大研发投入，走自主创新国产化道路。”

　　此前，全球只有4家企业能够实现6英寸晶片批量生产，其中美国3家、日本1家，如今天科合达也成功跻身其中。

　　作为国内成立时间最早、规模最大（年产能7万片碳化硅晶片）的碳化硅晶片研发和生产企业，天科合达在国内首次实现碳化硅晶体的产业化，打破了国外长期的技术封锁和垄断。

　　高新技术企业的核心竞争力还是技术，陈小龙和天科合达的管理层对此了然于胸。彭同华说：“6英寸碳化硅晶片已经实现量产,这也是天科合达打入外国市场的好产品。”

　　经科研团队和市场销售团队的共同努力，目前天科合达已向国内60余家科研机构批量供应晶片，推动了碳化硅外延、器件等相关的基础研究，带动中车集团等20多家企业进入下游外延、器件和模块产业，在国内形成了完整的产业链，推动了我国宽禁带半导体产业的发展，同时对新疆地区高科技产业的发展起到了引领和带动作用，填补了疆内宽禁带半导体产业的空白。此外，天科合达的碳化硅晶片产品还大量出口至欧洲、美国和日本等20多个国家和地区。